A general mechanism for how intracellular signaling pathways in human pluripotent cells are coordinated and how they maintain self-renewal remain to be elucidated. In this report, we describe a signaling mechanism where PI3K/Akt activity maintains self-renewal by restraining prodifferentiation signaling through suppression of the Raf/Mek/Erk and canonical Wnt signaling pathways. When active, PI3K/Akt establishes conditions where Activin A/Smad2,3 performs a pro-self-renewal function by activating target genes, including Nanog. When PI3K/Akt signaling is low, Wnt effectors are activated and function in conjunction with Smad2,3 to promote differentiation. The switch in Smad2,3 activity after inactivation of PI3K/Akt requires the activation of canonical Wnt signaling by Erk, which targets Gsk3β. In sum, we define a signaling framework that converges on Smad2,3 and determines its ability to regulate the balance between alternative cell states. This signaling paradigm has far-reaching implications for cell fate decisions during early embryonic development.

Abstract Most essential cellular functions are performed by proteins assembled into larger complexes. Fluorescence Polarization Microscopy (FPM) is a powerful technique that goes beyond traditional imaging methods by allowing researchers to measure not only the localization of proteins within cells, but also their orientation or alignment within complexes or cellular structures. FPM can be easily integrated into standard widefield microscopes with the addition of a polarization modulator. However, the extensive image processing and analysis required to interpret the data have limited its widespread adoption. To overcome these challenges and enhance accessibility, we introduce OOPS (Object-Oriented Polarization Software), a MATLAB-based analysis tool tailored for FPM data. This work highlights the distinctive features of our software, which empower researchers to efficiently manage large datasets; detect and analyze individual structures; conduct population assessments based on morphology, intensity, and polarization-specific parameters; and create publication-quality visualizations, all within a user-friendly graphical interface. Importantly, OOPS is adaptable to various sample types, labeling techniques, and imaging setups, facilitating in-depth analysis of diverse polarization-sensitive samples. Here, we demonstrate the power and versatility of our approach by applying OOPS to FPM images of both punctate and filamentous structures. OOPS is freely available under the GNU GPL 3.0 license and can be downloaded at https://github.com/Mattheyses-Lab/OOPS .

Most essential cellular functions are performed by proteins assembled into larger complexes. Fluorescence Polarization Microscopy (FPM) is a powerful technique that goes beyond traditional imaging methods by allowing researchers to measure not only the localization of proteins within cells, but also their orientation or alignment within complexes or cellular structures. FPM can be easily integrated into standard widefield microscopes with the addition of a polarization modulator. However, the extensive image processing and analysis required to interpret the data have limited its widespread adoption. To overcome these challenges and enhance accessibility, we introduce OOPS (Object-Oriented Polarization Software), a MATLAB package for object-based analysis of FPM data. By combining flexible image segmentation and novel object-based analyses with a high-throughput FPM processing pipeline, OOPS empowers researchers to simultaneously study molecular order and orientation in individual biological structures; conduct population assessments based on morphological features, intensity statistics, and FPM measurements; and create publication-quality visualizations, all within a user-friendly graphical interface. Here, we demonstrate the power and versatility of our approach by applying OOPS to punctate and filamentous structures.

Abstract Endothelial cells (ECs) experience a variety of highly dynamic mechanical stresses. Among others, cyclic stretch and increased plasma membrane tension inhibit clathrin-mediated endocytosis (CME) in non-ECs cells. How ECs overcome such unfavorable, from biophysical perspective, conditions and maintain CME remains elusive. Previously, we have used simultaneous two-wavelength axial ratiometry (STAR) microscopy to show that endocytic dynamics are similar between statically cultured human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and fibroblast-like Cos-7 cells. Here we asked whether biophysical stresses generated by blood flow could favor one mechanism of clathrin-coated vesicle formation to overcome environment present in vasculature. We used our data processing platform – DrSTAR – to examine if clathrin dynamics are altered in HUVECs grown under fluidic sheer stress (FSS). Surprisingly, we found that FSS led to an increase in clathrin dynamics. In HUVECs grown under FSS we observed a 2.3-fold increase in clathrin-coated vesicle formation and a 1.9-fold increase in non-productive flat clathrin lattices compared to cells grown in static conditions. The curvature-positive events had significantly delayed curvature initiation in flow-stimulated cells, highlighting a shift toward flat-to-curved clathrin transitions in vesicle formation. Overall, our findings indicate that clathrin dynamics and CCV formation can be modulated by the local physiological environment and represents an important regulatory mechanism. Significance Targeted nanomedicine holds a great promise of improved drug bioavailability and specificity. While some cargoes must cross the blood-tissue barrier, the understanding of endocytic pathways in the context of vasculature is limited, which is an obstacle to targeted nanomedicine delivery. In this pilot study we show that the physiological local vascular environment must be considered in the context of internalization of growth factors, membrane proteins, therapeutics, or pathogens. Studies in non-ECs or ECs not cultured under fluidic shear stress do not properly recapitulate clathrin dynamics and will lead to incorrect conclusions.

Aberrant glycosylation is a hallmark of a cancer cell. One prevalent alteration is an enrichment in α2,6-linked sialylation of N-glycosylated proteins, a modification directed by the ST6GAL1 sialyltransferase. ST6GAL1 is upregulated in many malignancies including ovarian cancer. Prior studies have shown that the addition of α2,6 sialic acid to the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) activates this receptor, although the mechanism was largely unknown. To investigate the role of ST6GAL1 in EGFR activation, ST6GAL1 was overexpressed in the OV4 ovarian cancer line, which lacks endogenous ST6GAL1, or knocked down in the OVCAR-3 and OVCAR-5 ovarian cancer lines, which have robust ST6GAL1 expression. Cells with high expression of ST6GAL1 displayed increased activation of EGFR and its downstream signaling targets, AKT and NFκB. Using biochemical and microscopy approaches, including Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, we determined that the α2,6 sialylation of EGFR promoted its dimerization and higher order oligomerization. Additionally, ST6GAL1 activity was found to modulate EGFR trafficking dynamics following EGF-induced receptor activation. Specifically, EGFR sialylation enhanced receptor recycling to the cell surface following activation while simultaneously inhibiting lysosomal degradation. 3D widefield deconvolution microscopy confirmed that in cells with high ST6GAL1 expression, EGFR exhibited greater co-localization with Rab11 recycling endosomes and reduced co-localization with LAMP1-positive lysosomes. Collectively, our findings highlight a novel mechanism by which α2,6 sialylation promotes EGFR signaling by facilitating receptor oligomerization and recycling.

Endothelial cells (ECs) experience a variety of highly dynamic mechanical stresses. Among others, cyclic stretch and increased plasma membrane tension inhibit clathrin-mediated endocytosis (CME) in non-ECs. It remains elusive how ECs maintain CME in these biophysically unfavorable conditions. Previously, we have used simultaneous two-wavelength axial ratiometry (STAR) microscopy to show that endocytic dynamics are similar between statically cultured human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and fibroblast-like Cos-7 cells. Here, we asked whether biophysical stresses generated by blood flow influence CME. We used our data processing platform – DrSTAR – to examine if clathrin dynamics are altered in HUVECs after experiencing fluidic sheer stress (FSS). We found that HUVECs cultivated under physiological level of FSS had increased clathrin dynamics compared to static controls. FSS increased both clathrin-coated vesicle formation and non-productive flat clathrin lattices by 2.3-fold and 1.9-fold, respectively. The curvature-positive events had significantly delayed curvature initiation relative to clathrin recruitment in flow-stimulated cells, highlighting a shift toward flat-to-curved clathrin transitions in vesicle formation. Overall, our findings indicate that clathrin dynamics and CCV formation can be modulated by the local physiological environment and represents an important regulatory mechanism.

Desmogleins are cadherin family adhesion molecules essential for epidermal integrity. Previous studies have shown that desmogleins associate with lipid rafts, but the significance of this association was not clear. Here, we report that the desmoglein transmembrane domain (TMD) is the primary determinant of raft association. Further, we identify a novel mutation in the DSG1 TMD (G562R) that causes severe dermatitis, multiple allergies, and metabolic wasting (SAM) syndrome. Molecular modeling predicts that this G to R mutation shortens the DSG1 TMD, and experiments directly demonstrate that this mutation compromises both lipid raft association and desmosome incorporation. Finally, cryo-electron tomography (cryo-ET) indicates that the lipid bilayer within the desmosome is ~10% thicker than adjacent regions of the plasma membrane. These findings suggest that differences in bilayer thickness influence the organization of adhesion molecules within the epithelial plasma membrane, with cadherin TMDs recruited to the desmosome via establishment of a specialized mesoscale lipid raft-like membrane domain.